双向立式轴流泵装置内流机理及流固耦合分析

发布时间：2017-06-12 02:08

  本文关键词：双向立式轴流泵装置内流机理及流固耦合分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文的研究是在国家科技支撑计划项目(2015BAD20B01)等的资助下展开的相关工作。在人类水利事业中,泵站是其中的重要部分,它在对大自然进行合理改造的过程中起到了关键作用,也在其他方面发挥了越来越重要的作用,比如跨流域的调水、城镇中的供排水、工业供水、流体输送等。近年来,随着许多大型水利工程的建设,单向的泵站已无法满足工程需求,如在大型调水工程中,既要以灌溉送水为主,同时要兼顾特大洪水年份的排涝。而双向进出水流道立式轴流泵装置由于结构紧凑,占地省等优点,正逐步应用于我国排涝灌溉领域中。双向流道泵装置的运行效率很大程度上依赖于双向进出水流道的水力性能,而目前对双向流道的内部流动特性研究仍然不够深入,阻碍了双向流道泵装置性能的提高,故研究双向进出水流道的流动特性对轴流泵装置的影响具有重要意义。此外,由于双向流道泵装置运行时出水流道内部水流紊乱,使暴露于其中的泵轴受到不平衡径向力的作用,不仅引起泵轴及系统的振动,还会导致轴承及填料密封的偏磨,造成严重后果,因此对双向轴流泵装置内部非定常流场和考虑流固耦合的水力振动研究具有重要的理论价值。本文主要研究内容和创新点有:1.以一台轴流泵段为研究对象,首次对在具有相同叶轮和导叶结构参数下的轴流泵段和双向进出水流道泵装置两种情况的2个模型进行数值模拟对比研究,分析双向进出水流道对轴流泵装置内外特性的影响。选用SST k-ω湍流模型对2个模型进行非定常流场的计算。在叶轮进口、叶轮和导叶的交界面以及导叶出口布置了三个监测点来预测和比较两个模型的压力脉动情况,对比分析了两种情况下泵的外特性曲线,以及2个模型在叶轮进口、叶轮与导叶交界面以及导叶出口上的湍动能分布。对比分析发现,数值模拟结果与试验结果吻合较好,从而验证了数值模拟的可靠性。双向进出水流道泵装置的扬程和效率普遍低于泵段中的扬程与效率,并且双向进出水流道内也易出现漩涡,流动更不稳定,其内部湍动能也更大,同时双向流道泵装置内的脉动幅值普遍更高,但双向进出水流道对叶轮进口的压力脉动影响不大,而对导叶出口的脉动影响较大。2.双向进水流道由于其形状特征容易在叶轮进口端产生不稳定流态,导致叶轮振动,而叶轮振动反过来又会影响泵装置的内部流动。为了研究叶轮与流场耦合作用对双向立式轴流泵装置内部流场的变化情况,本文首次采用双向同步求解的方法研究双向立式轴流泵装置。提出在考虑双向进出水流道的情况下,分别对比分析了流固耦合计算前后,轴流泵装置内部流场分布和叶轮表面压力分布。研究发现,考虑流固耦合作用后,进水流道出口处压力波动强度增大,涡量梯度增大;叶轮工作面速度增大,导叶附近的漩涡位置发生变化;叶轮工作面与背面压力差减小,叶轮做功效率下降,从而导致轴流泵装置扬程下降。3.在考虑叶轮与流场的耦合作用,对比分析了流固耦合前后双向立式轴流泵装置内外特性的变化情况后,在上述模拟计算的基础上,进一步分析了叶轮表面的应力及变形分布,研究其振动特性。结果发现,轴向力随叶轮旋转产生周期性变化,叶轮最大等效应力主要分布在靠近轮毂处,最大变形量主要分布在叶轮前缘与轮缘夹角处。当流量增大时,叶轮最大等效应力与最大变形量逐渐减小。在此基础上,研究了位于叶轮前缘与叶轮后缘上的4个监测点所受等效应力的情况,通过对比发现,叶轮前缘所受等效应力远大于叶轮后缘。4.本文仍以上述双向立式轴流泵装置为研究对象,首次将出水流道流场和泵轴进行联合响应求解,提出运用同上文中叶轮与流场响应计算时的双向耦合数值模拟方法,对比分析了流固耦合作用前后出水流道中静压和速度分布以及导叶出口面上的压力脉动情况和湍动能分布,并将外特性的计算结果与试验结果进行了对比。分析结果发现,与不考虑流固耦合相比,出水流道中静压相对较大的区域面积增大,而流速分布变化较小;导叶出口面上压力波动的相位发生改变,脉动强度也增大;小流量下,耦合作用使得导叶出口的湍动能增大,而设计流量和大流量下,湍动能分布变化较小。此外,外特性的吻合性也说明了模拟计算的可靠性。总体来看,考虑流固耦合后流场分布发生了变化,因此对于双向立式轴流泵装置,流固耦合计算更能反映其实际情况。
【关键词】：轴流泵 泵装置 双向流道 泵轴 非定常流场 流固耦合 湍动能 压力脉动 应力应变
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH312
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 泵装置的研究现状13-16
• 1.3 流固耦合理论及研究现状16-19
• 1.3.1 流固耦合简介16-17
• 1.3.2 流固耦合在泵及泵装置上的研究现状17-19
• 1.4 本文研究的主要内容19-20
• 第二章 三维湍流数值模拟及流固耦合计算方法20-29
• 2.1 湍流的数值模拟方法20-21
• 2.2 流动控制方程21-22
• 2.3 流体湍流模型22-24
• 2.4 网格划分类型24-26
• 2.5 交界面衔接方法26
• 2.6 流固耦合计算方法26-28
• 2.6.1 结构动力学理论26-27
• 2.6.2 流固耦合求解方法27-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 轴流泵段及泵装置内流场三维数值模拟29-43
• 3.1 物理模型29-31
• 3.1.1 几何参数29
• 3.1.2 三维建模及网格划分29-31
• 3.2 数值模拟计算31-34
• 3.2.1 湍流模型选择31-32
• 3.2.2 计算参数的设置32
• 3.2.3 计算边界条件32-33
• 3.2.4 计算交界面的设置33
• 3.2.5 监测点的设置33-34
• 3.3 计算结果与分析34-42
• 3.3.1 外特性预测与试验结果对比34-36
• 3.3.2 速度流线对比分析36-37
• 3.3.3 叶轮叶片压力对比分析37-38
• 3.3.4 湍流动能分布对比分析38-40
• 3.3.5 压力脉动特性对比40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 双向立式轴流泵装置流固耦合分析43-67
• 4.1 泵装置物理模型43-45
• 4.1.1 基本参数与造型43
• 4.1.2 网格划分43-45
• 4.2 数值计算45-46
• 4.2.1 固体域设置45
• 4.2.2 流体域设置45
• 4.2.3 双向流固耦合计算方法45-46
• 4.3 外特性与试验分析46-47
• 4.4 内流场分析47-54
• 4.4.1 静压分布和涡量分布47-48
• 4.4.2 叶轮和导叶内部流动48-50
• 4.4.3 叶片表面截线压力分布50-54
• 4.5 受力分析54-60
• 4.5.1 叶轮轴向力54-55
• 4.5.2 叶轮等效应力及变形分布图55-57
• 4.5.3 等效应力时域图分析57-60
• 4.6 泵轴流固耦合计算60-65
• 4.6.1 物理模型及计算方法60-61
• 4.6.2 外特性对比61-62
• 4.6.3 出水流道内流场对比分析62-63
• 4.6.4 压力脉动对比分析63-64
• 4.6.5 湍流动能对比分析64-65
• 4.7 本章小结65-67
• 第五章 总结和展望67-70
• 5.1 工作总结67-69
• 5.2 研究展望69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文76-77
• 1.发表的学术论文76
• 2. 参加的科研工作76-77
• 3.申请的专利77

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本文编号：442995